基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法

1.本发明属于电力电子变换器故障诊断技术领域，更具体地，涉及一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法。


背景技术：

2.三相两电平电压型整流器(voltage source rectifier,vsr)在电机传动、电能质量控制等领域广泛应用，这源于它突出的优势：网侧电流谐波含量低、单位因数和能量可双向传输等优势。整流器的安全稳定运行对于这些应用场景至关重要。三相两电平vsr一般包含6个开关管，每相桥臂都有2个开关管，通常将连接直流侧正极的开关管称为上桥臂开关管，将连接直流侧负极的开关管称为下桥臂开关管。开关管是完成电能变换的关键器件，它需要高频的开通与关断。根据调查显示，开关管是功率变换器系统中最容易故障的元件之一。整流器开关管的开路故障将会导致交流侧电流畸变与直流电压波动，若长时间带着故障运行，会使其他正常开关管的开关应力变大，进而引发二次故障最终导致设备停机。因此对发生了开路故障的开关管进行快速而准确的定位对于保证整流器安全运行意义重大。
3.在开关管开路故障的现有研究中，针对整流器的开关管开路故障诊断技术大多局限于单个开关管开路故障的诊断，对同时适用于单个与两个都能诊断的技术方法较少。目前针对多个开关管开路故障的诊断方法中，基于硬件的诊断方法的诊断速度较快，但是额外增加了多个传感器，增加了成本与系统的复杂性；基于软件的诊断方法，在诊断多开关故障需要花费数十毫秒。如果能在不增加额外硬件的同时，提高诊断速度，并且对多开关管故障各种情况，包含单开关故障、两开关管先后故障、两开关管同时故障，都能快速诊断；就能够快速排查故障，显著提高整流器运行的可靠性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，其目的在于解决现有针对多个开关管开路故障的诊断方法无法兼顾低成本与低复杂性、高效率的技术问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，包括以下步骤：
6.获取整流器三相电压、三相电流、直流电压、三相桥臂上开关管的占空比、锁相环计算的电压相位、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期；
7.根据所述三相电压、三相电流、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期，基于基尔霍夫电压定律，计算三相线电压的实际值；根据直流电压和三相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，计算三相线电压的期望值；将三相线电压的期望值与实际值求差，得到三相线电压的偏差值；
8.比较所述三相线电压的偏差值与第一预设阈值和第二预设阈值，以确定所述三相线电压的偏差值的极性；其中，所述第一预设阈值小于第二预设阈值；
9.结合所述三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管。
10.进一步地，所述三相线电压的实际值的计算方法为：
[0011][0012]
其中，[n]表示第n次采样时刻的值，u
xy_r
表示xy相线电压的实际值，e
x
、ey表示x、y相的交流电压，i
x
、iy表示x、y相的交流电流，r
x
、ry表示x、y相的等效电阻，l
x
、ly表示x、y相的滤波电感，ts表示开关周期；x、y＝a、b或c，且x≠y，xy＝ab、bc或ca。
[0013]
进一步地，所述三相线电压的期望值的计算方法为：
[0014][0015]
其中，u
xy_c
表示xy相线电压的期望值，s
x
、sy表示x、y相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，u
dc
表示直流电压。
[0016]
进一步地，所述三相线电压的偏差值的极性的确定方法为：
[0017][0018]
其中，δu
xy
表示xy相线电压的偏差值，u
th1
、u
th2
表示第一预设阈值和第二预设阈值，p+、p、z、n、n-表示5种不同的极性。
[0019]
进一步地，所述结合所述三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管，包括：
[0020]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、z、n，且电压相位不属于(150
°
,210
°
)，则s1故障；
[0021]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、z、p，且电压相位不属于(0,30
°
)∪(330
°
,360
°
)，则s2故障；
[0022]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、p、z，且电压相位不属于(270
°
,330
°
)，则s3故障；
[0023]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、n、z，且电压相位不属于(90
°
,150
°
)，则s4故障；
[0024]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为z、n、p，且电压相位不属于(30
°
,90
°
)，则s5故障；
[0025]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为z、p、n，且电压相位不属于
(210
°
,270
°
)，则s6故障；
[0026]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p+、n、n，则s1和s4故障；
[0027]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、p、n-，则s1和s6故障；
[0028]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n-、p、p，则s2和s3故障；
[0029]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、n、p+，则s2和s5故障；
[0030]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、p+、n，则s3和s6故障；
[0031]
当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、n-、p，则s4和s5故障；
[0032]
其他双开关管故障由两次单开关故障诊断进行诊断定位；
[0033]
其中，所述三相整流器包括开关管s1-s6，a相开关管为s1和s2，b相开关管为s3和s4，c相开关管为s5和s6，且s1、s3和s5为上桥臂开关管，s2、s4和s6为下桥臂开关管。
[0034]
第二方面，本发明提供了一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断装置，包括：
[0035]
诊断信号获取模块，用于获取整流器三相电压、三相电流、直流电压、三相桥臂上开关管的占空比、锁相环计算的电压相位、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期；
[0036]
电压偏差计算模块，用于根据所述三相电压、三相电流、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期，基于基尔霍夫电压定律，计算三相线电压的实际值；根据所述直流电压和三相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，计算三相线电压的期望值；将三相线电压的期望值与实际值求差，得到三相线电压的偏差值；
[0037]
偏差极性确定模块，用于比较所述三相线电压的偏差值与第一预设阈值和第二预设阈值，以确定所述三相线电压的偏差值的极性；其中，所述第一预设阈值小于第二预设阈值；
[0038]
故障诊断模块，用于结合所述三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管。
[0039]
第三方面，本发明提供了一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现如第一方面所述的基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法。
[0040]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0041]
(1)本发明的故障诊断过程只需要使用整流器控制系统中已经存在的采样电流值与中间计算值，具有实现简单，计算量小的优点；
[0042]
(2)通过设置两个阈值，并结合电压相位信息，对多开关管故障各种情况，包含单开关故障、两开关管先后故障、两开关管同时故障，都能快速诊断；
[0043]
(3)通过对电压偏差的计算结合相位值即可定位故障，可实现开关管开路故障的快速诊断与定位；
[0044]
(4)能够在不增加额外硬件的情况下，实现对三相整流器开关管开路故障的准确诊断。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例提供的三相两电平整流器主电路拓扑与控制系统示意图；
[0046]
图2是本发明实施例提供的基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法的计算流程示意图；
[0047]
图3是本发明实施例提供的三相两电平整流器的控制系统示意图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0049]
如图1所示，典型的三相两电平电压型整流器中实现变流的核心部件是六个开关管s1-s6以及与之反并联的六个二极管d1-d6。其中，a相开关管为s1和s2，b相开关管为s3和s4，c相开关管为s5和s6，s1、s3和s5被称为上桥臂开关管，s2、s4和s6被称为下桥臂开关管。开关管，滤波电感l
x
，等效电阻r
x
和滤波电容c共同组成整流器的主电路部分。整流器的输入端连接三相交流电压e
x
，输出端连接负载，等效为电阻r
l
。整流器控制系统通过电流传感器和电压传感器获得主电路的三相交流电压e
x
,交流电流i
x
，直流电压值u
dc
，计算并输出驱动信号s1-s6来控制各功率管的工作。其中x＝a、b或c，其代表所在的相。
[0050]
基于此，如图2所示，本发明提出了一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，包括以下步骤：
[0051]
(1)获取整流器三相电压、三相电流、直流电压、三相桥臂上开关管的占空比、锁相环计算的电压相位、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期。
[0052]
本实施例中，从整流器控制系统中获取用于诊断的相关信号，其中，该相关信号包括整流器交流侧三相电压采样信号e
x
[n]、e
x
[n-1]，三相电流采样信号i
x
[n]、i
x
[n-1]，直流电压采样信号u
dc
[n]、u
dc
[n-1]，以及控制系统中根据空间矢量调制方法计算得到的三相桥臂上开关管的占空比s
x
[n]与锁相环计算的电压相位还有控制系统中设定的常数值三相滤波电感l
x
，等效电阻r
x
，第一预设阈值u
th1
、第二预设阈值u
th2
，与开关周期ts。[n]表示第n次采样时刻的值。
[0053]
(2)根据所述三相电压、三相电流、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期，基于基尔霍夫电压定律，计算三相线电压的实际值；根据直流电压和三相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，计算三相线电压的期望值；将三相线电压的期望值与实际值求差，得到三相线电压的偏差值。
[0054]
本实施例中，三相线电压的实际值的计算方法为：
[0055][0056]
其中，[n]表示第n次采样时刻的值，u
xy_r
表示xy相线电压的实际值，e
x
、ey表示x、y相的交流电压，i
x
、iy表示x、y相的交流电流，r
x
、ry表示x、y相的等效电阻，l
x
、ly表示x、y相的滤波电感，ts表示开关周期；x、y＝a、b或c，且x≠y，xy＝ab、bc或ca。
[0057]
三相线电压的期望值的计算方法为：
[0058][0059]
其中，u
xy_c
表示xy相线电压的期望值，s
x
、sy表示x、y相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，u
dc
表示直流电压。
[0060]
三相线电压的偏差值的计算方法为：
[0061]
δu
xy
[n]＝u
xy_c
[n]-u
xy_r
[n]
[0062]
其中，δu
xy
表示xy相线电压的偏差值。
[0063]
(3)比较所述三相线电压的偏差值与第一预设阈值和第二预设阈值，以确定所述三相线电压的偏差值的极性；其中，所述第一预设阈值小于第二预设阈值。
[0064]
本实施例中，正常运行时，理想条件下，三相线电压的偏差为0，但由于采样、死区、参数测量与噪声等因素造成的误差，实际情况是在正常运行时，三相线电压的偏差在0附近波动。为了避免误诊断，设置了阈值u
th1
、u
th2
。将三相线电压的偏差与两个阈值进行比较，得到三相线电压的偏差值的极性，极性的定义如下：
[0065][0066]
优选地，u
th2
远大于u
th1
。
[0067]
(4)结合所述三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管。
[0068]
本实施例中，结合电压相位诊断规则如表1所示。
[0069]
表1诊断规则
[0070][0071]
以下，对表1所示的诊断规则进行详细说明。
[0072]
三相pwm整流器如图1所示，在主电路中，e
abc
是三相电网线电压(e
ab
、e
bc
、e
ca
)，可以通过采样获得；u
ab
、u
bc
、u
ca
是三相整流器交流侧线电压，ia、ib、ic是交流侧电流，可以通过采样获得，以图中箭头所示方向为正方向。
[0073]
在工程上，三相pwm整流器大多采取双闭环控制方式和空间矢量调制方式。如图3所示，双闭环控制基于同步旋转d-q坐标系下的pi控制，其中电压外环用于控制三相整流器的输出电压(u
dc
)，使其稳定在目标电压，电流内环输出三相桥臂期望的电压。三相整流器工作时一般运行在单位功率因数状态，即对于电网来说，相电压与相电流保持同相。对于控制
器的控制目标要求q轴电流iq的参考值为0，此时d轴电流id的参考值即为电压外环的输出值。
[0074]
定义开关状态函数：
[0075][0076]
定义开关周期平均开关状态函数，即x相上桥臂的开关管开关周期平均占空比：
[0077][0078]
用s
x_c
表示控制系统期望的平均开关函数，用s
x_r
表示实际等效平均开关函数，则：
[0079]uxy_r
[n]＝(s
x_r
[n]-s
y_r
[n])*u
dc
[0080]uxy_c
[n]＝(s
x_c
[n]-s
y_c
[n])*u
dc
[0081]
在整流器正常工作时：
[0082]uxy_r
[n]＝u
xy_c
[n]＝(s
x_r
[n]-s
y_r
[n])*u
dc
[0083]
当发生故障时，s
x_c
≠s
x_r
；所以u
xy_r
[n]≠u
xy_c
[n]。
[0084]
由于整流器工作于单位功率因数，同相电压相位与电流相位相同。可根据电流的正负将一个基波周期分成6个区域，如表2所示。
[0085]
表2基波周期划分
[0086][0087]
①
单管故障情况(以s1发生故障为例)
[0088]
当ia》0，电流通路为d1或s2；当ia＝0，电流不流通；当ia《0，电流通路为s1或d2。b，c相分析同理，可以得到表2最后一列。所以s1故障仅有当ia《0时会受到影响。
[0089]
当ia《0且s1发生故障时，s
a_c
＞s
a_r
，所以
[0090]
δu
ab
[n]＞0
[0091]
δu
bc
[n]＝0
[0092]
δu
ca
[n]＜0
[0093]
依据上述条件，可实现单管故障下的故障诊断。
[0094]
②
同相双管故障情况(以s1和s2故障为例)
[0095]
经前面分析，s1故障仅有当ia《0时会受到影响，s2故障仅有当ia》0时会受到影响，并不存在同时受两个开关故障影响的时刻，所以只要根据
①
中分析，分别在不同时刻对两个单管故障分别进行诊断，即可实现对这种情况的双管故障诊断。
[0096]
③
不同相不同侧双管故障情况(以s1和s4故障为例)
[0097]
根据表1，可将这种故障情况下一个基波周期分成四个区域，如表3所示。
[0098]
表3基波周期划分
[0099][0100]
只有单管影响到整流器正常工作时，故障现象与
①
中的单管故障相同；当两管都影响到整流器正常工作时，三个线电压残差都出现了偏差，可以根据有一线电压偏差会远高于单相故障的情况，设置更高阈值对这种情况直接定位双管故障，也可先诊断一个单管再诊断一个单管，实现双管故障诊断，取决于故障发生时刻所处的相位。
[0101]
④
不同相同侧双管故障情况(以s1和s3故障为例)
[0102]
根据表1，可将这种故障情况下一个基波周期分成四个区域，如表4所示。
[0103]
表4基波周期划分
[0104][0105]
由于在(210
°
,270
°
)，ia、ib都＜0，此时c相电流ic》0。因为s1、s3发生故障，电流只能经d2、d4续流。所以δu
ab
会呈现不定的状态，可能大于小于和等于0，当等于0时会导致误诊断为单管故障s6，为了避开这种情况，在进行单管故障诊断时应避开该区域。这种双管故障的诊断采用连续诊断两次单管故障来实现故障的诊断。
[0106]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：获取整流器三相电压、三相电流、直流电压、三相桥臂上开关管的占空比、锁相环计算的电压相位、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期；根据所述三相电压、三相电流、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期，基于基尔霍夫电压定律，计算三相线电压的实际值；根据直流电压和三相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，计算三相线电压的期望值；将三相线电压的期望值与实际值求差，得到三相线电压的偏差值；比较所述三相线电压的偏差值与第一预设阈值和第二预设阈值，以确定所述三相线电压的偏差值的极性；其中，所述第一预设阈值小于第二预设阈值；结合所述三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管。2.根据权利要求1所述的基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述三相线电压的实际值的计算方法为：其中，[n]表示第n次采样时刻的值，u
xy_r
表示xy相线电压的实际值，e
x
、e
y
表示x、y相的交流电压，i
x
、i
y
表示x、y相的交流电流，r
x
、r
y
表示x、y相的等效电阻，l
x
、l
y
表示x、y相的滤波电感，t
s
表示开关周期；x、y＝a、b或c，且x≠y，xy＝ab、bc或ca。3.根据权利要求2所述的基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述三相线电压的期望值的计算方法为：其中，u
xy_c
表示xy相线电压的期望值，s
x
、s
y
表示x、y相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，u
dc
表示直流电压。4.根据权利要求3所述的基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述三相线电压的偏差值的极性的确定方法为：其中，δu
xy
表示xy相线电压的偏差值，u
th1
、u
th2
表示第一预设阈值和第二预设阈值，p+、p、z、n、n-表示5种不同的极性。5.根据权利要求4所述的基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，
其特征在于，所述结合所述三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管，包括：当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、z、n，且电压相位不属于(150
°
,210
°
)，则s1故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、z、p，且电压相位不属于(0,30
°
)∪(330
°
,360
°
)，则s2故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、p、z，且电压相位不属于(270
°
,330
°
)，则s3故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、n、z，且电压相位不属于(90
°
,150
°
)，则s4故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为z、n、p，且电压相位不属于(30
°
,90
°
)，则s5故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为z、p、n，且电压相位不属于(210
°
,270
°
)，则s6故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p+、n、n，则s1和s4故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、p、n-，则s1和s6故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n-、p、p，则s2和s3故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、n、p+，则s2和s5故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为n、p+、n，则s3和s6故障；当ab相、bc相、ca相线电压的偏差值的极性分别为p、n-、p，则s4和s5故障；其他双开关管故障由两次单开关故障诊断进行诊断定位；其中，所述三相整流器包括开关管s1-s6，a相开关管为s1和s2，b相开关管为s3和s4，c相开关管为s5和s6，且s1、s3和s5为上桥臂开关管，s2、s4和s6为下桥臂开关管。6.一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断装置，其特征在于，包括：诊断信号获取模块，用于获取整流器三相电压、三相电流、直流电压、三相桥臂上开关管的占空比、锁相环计算的电压相位、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期；电压偏差计算模块，用于根据所述三相电压、三相电流、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期，基于基尔霍夫电压定律，计算三相线电压的实际值；根据所述直流电压和三相桥臂上开关管的开关周期平均占空比，计算三相线电压的期望值；将三相线电压的期望值与实际值求差，得到三相线电压的偏差值；偏差极性确定模块，用于比较所述三相线电压的偏差值与第一预设阈值和第二预设阈值，以确定所述三相线电压的偏差值的极性；其中，所述第一预设阈值小于第二预设阈值；故障诊断模块，用于结合所述三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管。7.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现如权利要求1至5任一项所述的基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法。

技术总结
本发明公开了一种基于电压偏差的三相整流器多重开关管开路故障诊断方法，属于电力电子变换器故障诊断技术领域。方法包括：获取用于诊断的相关信号；根据三相电压、三相电流、三相电感值、三相等效电阻值以及开关周期，计算三相线电压的实际值；根据直流电压和三相桥臂上开关管的占空比，计算三相线电压的期望值；将三相线电压的期望值与实际值求差；比较三相线电压的偏差值与第一预设阈值和第二预设阈值，以确定三相线电压的偏差值的极性；其中，第一预设阈值小于第二预设阈值；结合三相线电压的偏差值的极性与电压相位，确定故障开关管。本发明对多开关管故障各种情况，包含单开关故障、两开关管先后故障、两开关管同时故障，都能快速诊断。快速诊断。快速诊断。


技术研发人员：彭力 林中东
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/22